一种基于特斯拉线圈的闪电演示机器人

技术领域

本发明实施例涉及自然现象模拟演示技术领域，尤其涉及一种基于特斯拉线圈的闪电演示机器人。

背景技术

闪电可见于恶劣的暴雨天气，常给人以强烈的视觉冲击和震撼，且通常只能远观而不能近距离接触。而闪电的原理就是短时间内大量放电，空气被极化所致。

在中学教学过程中过去只能用语言描述，没有演示设备，学生比较难以理解，现在由于经济、科技的发展，有的学校购买多媒体电脑及大屏幕投影设备，通过计算机来演示，但不普遍，且效果不十分显著。

发明内容

本发明实施例提供一种基于特斯拉线圈的闪电演示机器人，以解决现有技术教学时，闪电现象演示困难、演示效果不显著的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于特斯拉线圈的闪电演示机器人，包括玻璃防护罩，以及设于所述玻璃防护罩内部的特斯拉变压器；

所述玻璃防护罩内侧贴设有导电铜网；

所述特斯拉变压器的输入端连接交流电源，所述特斯拉变压器的输出端连接有放电尖端，所述放电尖端与所述导电铜网形成开路。

作为优选的，所述特斯拉变压器包括点火变压器和放电变压器，所述点火变压器的初级线圈连接交流电源，所述点火变压器的次级线圈并联有谐振电容，所述谐振电容与所述放电变压器的初级线圈并联；所述放电变压器的次级线圈的一端连接所述导电铜网，所述放电变压器的次级线圈的另一端连接所述放电尖端。

作为优选的，所述谐振电容与所述放电变压器的初级线圈通过一火花间隙并联。

作为优选的，所述放电变压器的初级线圈为可变电感，所述放电变压器的初级线圈的电感值基于所述放电变压器的次级线圈和所述谐振电容构成的谐振电路的频率确定。

作为优选的，所述可变电感上设有控制端，所述控制端用于调节所述可变电感接入至所述放电变压器的电感值，所述控制端连接有单片机控制器；

所述放电尖端与所述导电铜网间构成击穿电容，所述放电变压器的次级线圈与击穿电容构成第二谐振回路，所述谐振电容、所述点火变压器的次级线圈构成第一谐振回路；

所述单片机控制器用于基于所述放电尖端与所述导电铜网的距离确定击穿电容，并计算出所述第二谐振回路的谐振频率，所述第一谐振回路与所述第二谐振回路共振时所需的所述可变电感的电感值，以调节所述可变电感接入至所述放电变压器的电感值。

作为优选的，所述控制端为场效应MOS管，所述MOS管通过改变接入电感线圈的匝数来调节可变电感的电感值；所述单片机控制器为可编程逻辑控制器PLC。

作为优选的，所述玻璃防护罩外表面镀有金属透明薄膜，所述金属透明薄膜接地。

作为优选的，所述点火变压器的初级线圈、次级线圈的绕线匝数比为1:10，所述放电变压器的初级线圈、次级线圈的绕线匝数比为1:300。

作为优选的，还包括可移动的机器臂，所述机器臂用于将所述放电尖端牵引至距所述导电铜网设定距离处。

本发明实施例提供的一种基于特斯拉线圈的闪电演示机器人，用特斯拉线圈中的两个变压器，即点火变压器和放电变压器分别进行点火和放电，通过点火变压器对电流进行的通断控制，并计算放电变压器中放电头与导电铜网之间的距离，控制可变电感的接入线圈匝数，实现放电变压器的初级回路与次级回路的共振，从而实现人造闪电；另外，人造闪电的通断还可以通过点火变压器进行控制。该结构具有安全性高，演示效果好的优点，能够解决现有技术教学时，闪电现象演示困难、演示效果不显著的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的基于特斯拉线圈的闪电演示机器人整体结构示意图；

图2为根据本发明实施例的变压器内部线圈连线图；

图3为根据本发明实施例的变压器硬件结构图；

图4为根据本发明实施例的可变电感控制流程图；

图5为根据本发明实施例的可变电感的控制原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在中学教学过程中过去只能用语言描述，没有演示设备，学生比较难以理解，现在由于经济、科技的发展，有的学校购买多媒体电脑及大屏幕投影设备，通过计算机来演示，但不普遍，且效果不十分显著。

因此，本发明实施例提供一种基于特斯拉线圈的闪电演示机器人，用特斯拉线圈中的两个变压器，即点火变压器和放电变压器分别进行点火和放电，通过对点火变压器对电流进行的通断控制，计算放电变压器中放电头与导电铜网之间的距离，控制可变电感的接入线圈匝数，实现放电变压器的初级回路与次级回路的共振，从而实现人造闪电。下面结合附图描述本发明实施例的一种基于特斯拉线圈的闪电演示机器人。

图1为根据本发明实施例提供一种基于特斯拉线圈的闪电演示机器人，包括透明的玻璃防护罩1，以及设于所述玻璃防护罩1内部的特斯拉变压器3；

所述玻璃防护罩1内侧贴设有导电铜网2；所述玻璃防护罩1外表面镀有金属透明薄膜，所述金属透明薄膜接地。工作时，将金属透明薄膜接地，形成等电位体，玻璃防护罩1内部电场不能穿过玻璃防护罩1，起电磁屏蔽作用。

所述特斯拉变压器3的输入端连接交流电源，所述特斯拉变压器3的输出端连接有放电尖端9，所述放电尖端9与所述导电铜网2形成开路。

图2为根据本发明实施例的变压器内部线圈连线图，如图2中所示，为特斯拉变压器3内部线圈连线图，所述特斯拉变压器3包括点火变压器7和放电变压器8，所述点火变压器7的初级线圈连接交流电源，所述点火变压器7的次级线圈并联有谐振电容C1，所述谐振电容C1与所述放电变压器8的初级线圈L1并联；所述放电变压器8的次级线圈L1的一端连接所述导电铜网2，所述放电变压器8的次级线圈L1的另一端通导电管线4连接所述放电尖端9。所述谐振电容C1与所述放电变压器8的初级线圈L1通过一火花间隙并联。

本实施例中，交流电源为220V(伏)交流电，功率为60W(瓦)，为整个电路提供电能。谐振电容C1为储能元件，交流电源对谐振电容C1充电。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述放电变压器8的初级线圈为可变电感，所述放电变压器8的初级线圈的电感值基于所述放电变压器8的次级线圈和所述谐振电容构成的谐振电路的频率确定。L1可以通过外界对其参数进行调控。

所述特斯拉变压器3中放电变压器8的次级线圈L2的一端与闪电发射尖端5，通过导电管线4的电线连接。导电铜网2通过导线连接在特斯拉变压器3中放电变压器8的次级线圈L2另一端。所述闪电发射尖端5与外面的导电铜网2形成开路，C2为放电尖端9与所述导电铜网2间构成的电容，即击穿电容。

当谐振电容C1两端的电压达到火花间隙的击穿电压时，火花间隙就会产生火花，从而将火花间隙电阻降低，L1和C1构成的谐振电路导通，来自谐振电容C1的电流流过线圈L1。将闪电发射尖端5与导电铜网2之间形成的电容记为C1。当L1和C1构成的谐振电路的谐振频率与L2和C2构成的谐振电路的谐振频率相等时，C2的电压达到最大，从而使C2被击穿，形成闪电。

图3为特斯拉变压器3硬件结构图，交流电源包括第一输入端口31和第二输入端口32，点火变压器7的初级线圈、次级线圈绕线构成点火线圈36，放电变压器8的初级线圈、次级线圈绕线构成放电线圈37，点火线圈36设有开关端口33，可变电感L1上设有控制端34，所述可变电感由单片机控制，金属铜网设有连线端口35。

所述控制端用于调节所述可变电感接入至所述放电变压器8的电感值，所述控制端连接有单片机控制器34；所述控制端为场效应MOS管，所述MOS管通过改变接入电感线圈的匝数来调节可变电感的电感值；所述单片机控制器为可编程逻辑控制器PLC。

所述放电尖端9与所述导电铜网2间构成击穿电容，所述放电变压器8的次级线圈与击穿电容构成第二谐振回路，所述谐振电容、所述点火变压器7的次级线圈构成第一谐振回路；

所述单片机控制器用于基于所述放电尖端9与所述导电铜网2的距离确定击穿电容，并计算出所述第二谐振回路的谐振频率，所述第一谐振回路与所述第二谐振回路共振时所需的所述可变电感的电感值，以调节所述可变电感接入至所述放电变压器8的电感值。

所述点火变压器7的初级线圈、次级线圈的绕线匝数比为1:10，所述放电变压器8的初级线圈、次级线圈的绕线匝数比为1:300。

作为优选的，闪电演示机器人还包括可移动的机器臂，所述机器臂用于将所述放电尖端9牵引至距所述导电铜网2设定距离处。

图4给出特斯拉变压器3中可变电感控制流程图。当机械臂和PLC通电后，机器臂按照程序初始化，然后机器臂按照程序将运行到距离导电铜网2的一定距离，如1m(米)。不同的距离对应着不同的电容值C2，单片机计算出线圈L2和C2回路的谐振频率，然后得到C1和L1回路与L2和C2回路共振所需要的L1电感值，再控制L1的接入线圈匝数。接着控制打开点火线圈的初级线圈开通，特斯拉线变压器产生高压，形成闪电。再关闭点火线圈的初级线圈的开关，完成一次闪电触发。

根据帕邢定理，两个电极之间形成电弧或放电的击穿电压为：

U＝apd/ln(pd)+b，

其中a和b是和气体成分有关为常数，在标准大气压下，空气中a＝43.66，b＝12.8；p为大气压强，d为两电极的间距。例如，当两电极的间距为1m(米)时，U＝418743V(伏)；当两电极的间距为2m时，U＝724092V(伏)。

当采用绕线经为0.74mm(毫米)的铜线，该漆包线外径0.8mm，骨架直径300mm，采用第一个变压器的初、次级线圈绕线匝数比为(1：10)，第二个变压器的初、次级线圈绕线匝数比为(1：330)，计算第二个变压器的次级线圈连着的闪电发射尖端5到导电铜网2最小距离2m时，电容为C2＝224.444pF(皮法)，L2和C2回路的谐振频率的谐振频率为23.0896kHz(千赫兹)，若放电变压器8的初级和次级线圈相互谐振传递效率为100％(实际为80％)

算出C1＝0.79598μF(微法)。

图5为可变电感的控制原理图。标识3401至3410为MOS管，通过控制MOS管的通断，调控可变电感L1的值。当3401至3410都导通时，接入线圈匝数为0，当3401至3411导通时，接入线圈匝数为1，从而改变电感。同理，可以通过控制MOS管导体情况，得到其它数量的接入线圈匝数。PLC6通过控制标识3401至3410的MOS管的开通和关断。

本实施例中的闪电演示机器人，能根据特斯拉线圈的放电线圈中放电头与导电铜网2的距离，智能计算共振电路中可变电感的接入线圈匝数，从而实现共振放电，形成人造闪电。其次，所述结构可利用特斯拉线圈中的点火变压器7，对电路进行通断控制，从而控制人造闪电进行点火和关闭。另外，该结构增设有玻璃罩，安全性高。

综上所述，本发明实施例提供的一种基于特斯拉线圈的闪电演示机器人，用特斯拉线圈中的两个变压器，即点火变压器和放电变压器分别进行点火和放电，通过对点火变压器对电流进行的通断控制，计算放电变压器中放电头与导电铜网之间的距离，控制可变电感的接入线圈匝数，实现放电变压器的初级回路与次级回路的共振，从而实现人造闪电；另外，人造闪电的通断还可以通过点火变压器进行控制。该结构具有安全性高，演示效果好的优点，能够解决现有技术教学时，闪电现象演示困难、演示效果不显著的问题。

本发明的各实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidStateDisk)等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，该流程可以由计算机程序来指令相关的硬件完成，该程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法实施例的流程。而前述的存储介质包括：ROM或随机存储记忆体RAM、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的介质。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。